모터 제어의 탁월한 선택, 이제는 MCU가 주도한다

모터 제어의 탁월한 선택
이제는 MCU가 주도한다

현재 8비트 MCU가 시장의 주류를 형성하고 있지만 점점 16비트, 32비트 MCU 등 고성능의 제품으로 기술이 이전하고 있는 추세이며, 소비자들의 기술에 대한 인식 수준이 높아지면서 보다 복잡하고 다기능을 가진 제품들이 요구되고 있다. 또한 시스템이 복잡해질수록 하드웨어 보다는 소프트웨어를 디자인하고 개발하는 문제가 중요한 이슈로 떠오르고 있어 소프트웨어와 통합할 수 있는 MCU의 사용도 더욱 가속화될 전망이다.

마이크로컨트롤러(MCU)가 발전하는 데는 반도체 공정 기술의 향상이 크게 기여했다. 초창기 MCU는 한 개의 칩이 하나의 컴퓨터로 여겨질 정도였으며, 가격은 개당 수백 달러였다. 메모리 아키텍처와 I/O 구성은 컴퓨터와 유사했으며, 어셈블리 언어로 프로그래밍되었고 40핀 이상의 패키지를 갖추고 있었다. 개발 툴로는 1만 달러가 넘는 대형 캐비닛 타입의 시스템이 사용되었다. 이 기술은 높은 비용으로 인해 접근할 수 있는 고객층과 애플리케이션 분야가 한정되었으며, 다층 PCB로 제작된 고급 장비로만 사용이 제한되었다.
오늘날에는 서브미크론 공정 기술로 인해 8비트 MCU의 경우 6개에서 100개가 넘는 핀 수와 256Kb 이상의 프로그램 메모리를 갖추게 되었으며, 자동차 및 산업용 제어 시장을 위한 CAN(Controller Area Network) 모듈이나 PC 연결을 위한 USB(Universal Serial Bus) 모듈 같은 정교한 주변 장치를 통합할 수 있게 되었다. 개발 툴의 가격도 낮아져 전력 시스템은 2백 달러 미만이고, 상위 언어 컴파일러도 99달러부터 시작하고 있다.
현재 일반적인 소비자가 동작시키는 모터는 토스터, 헤어 드라이기, 무선 전화기, 보안 시스템, 전자 레인지, 세탁기, 자동차 등 셀 수 없을 정도로 많으며, 이러한 모든 제품에는 제품의 안정성 향상, 에너지 효율 개선, 안전도 및 보안 수준 확보, 변화에 대한 적응, 사용자 인터페이스 단순화 등을 목적으로 MCU를 통한 로컬 임베디드 지능 시스템이 동작하고 있다.

PIC MCU 시리즈로
임베디드 지능화 시스템 구현

dsPIC 시리즈

현재 제품의 기능 개선, 제조의 고효율, 새로운 규제 등을 준수해야 할 필요성이 지속적으로 제기되고 있으며, 이러한 이유로 8비트 MCU를 사용하는 애플리케이션 수가 증가하고 있다. 이러한 임베디드 지능 시스템은 모터 제어 애플리케이션이 국제 에너지 절약 규제를 충족하는 데도 도움을 주고 있다. 또한 속도가 일정한 단순한 기계식 드라이브는 기존의 모터 유형에 가변 속도 제어 기능을 제공하는 저가형 MCU를 장착한 제품으로 대체되고 있다.
모터 속도를 변경하면 전력 소모를 크게 낮출 수 있으며, 일반적인 모터 제어 애플리케이션에서 속도를 20% 줄이면 전력은 50%까지 절감할 수 있다. 연간 50억 개 이상을 출하하여 일상품에 지능형 기능을 제공하는 MCU 중 주류를 형성하고 있는 8비트 MCU 시장의 경우 선적량이 30억 개가 넘어가고 있다.
또한 저가격, 고집적화 된 8비트 MCU SoC(Systems-On-a-Chip)는 다양한 애플리케이션에 사용되는 임베디드 지능화 시스템을 구현하기 위한 기초가 되고 있다. 현재 8비트 MCU의 성장을 이끄는 추세는 크게 세 가지로 8비트 MCU를 사용하는 애플리케이션 수의 증가를 꼽을 수 있고, 장치당 MCU 수의 증가, 모바일 제품 수의 증가를 들 수 있다.
마이크로칩 테크놀로지(Microchip Technology)는 마이크로컨트롤러(MCU)와 아날로그 반도체 분야의 세계적인 생산업체로 제품 개발의 위험도와 시스템 비용을 줄이고, 보다 빠른 제품 시장화를 통해 전 세계의 고객들이 요구하는 다양한 애플리케이션을 지원하고 있다. 특히 30억개가 넘는 PIC MCU시리즈를 출하하고 있는 이 회사는 8비트 분야에서 세계 1위의 출하량을 기록하고 있다.
8비트 MCU인 PIC16F시리즈는 소형 모터 제어 시스템을 디자인 하는 엔지니어들을 위해 부품 수를 줄이고 보드 크기와 가격을 줄였으며, 성능과 유연성을 높였다. 이 시리즈는 1초에 500만개의 명령을 수행할 수 있는 5Mips의 명령수행 스피드를 지니고 있으며, 14핀부터 44핀까지 보유하고 있어 스테핑 모터, DC 모터, AC 인덕션 모터 컨트롤 등에 응용이 가능하다.
최근 3상 AC 인덕션 모터와 BLDC에 대한 수요가 늘어나면서 16비트와 32비트 MCU에 대한 중요성이 부각되고 있다. 현재 단상 모터가 대부분 사용되고 있지만, 국가차원에서의 전력 규제로 인해 3상 모터로 시장이 바뀌고 있는 추세이다. 특히 에어컨과 냉장고의 경우 브러쉬가 없어 장수명이 가능한 BLDC 모터가 대부분 사용되고 있다.
예를들어 에어컨을 세팅하게 되면 팬은 일정한 온도까지 기온을 떨어트리기 위해 최대 속도로 돌아가게 되며, 적정 기온에 이를 경우 속도를 줄여야 한다. 바로 이러한 작동을 제어하는 것이 MCU의 역할이다.
마이크로칩은 현재 3상 인덕션 모터와 BLDC 모터에 적용이 가능한 16비트 MCU인 PIC18F 시리즈를 시장에 공급하고 있으며, 센서리스 BLDC 제품까지 응용이 가능한 DSP기반의 dsPIC30F 시리즈도 공급하고 있다. 특히 dsPIC30F DSC의 경우 DSP엔진이 들어가 있어 복잡한 알고리즘을 구현할 수 있으며, 기존의 프로그램 보다 적은 프로그램 양을 가지고 모터를 컨트롤 할 수 있다. 30 MIPS 비 파이프라인(Non-Pipelined) 성능, C컴파일러 친화형 설계, 친숙한 MCU 환경 등도 특징이라고 할 수 있다. 또한 30F DSC는 개발 툴로 MPLAB을 사용하고 있으며, 마이크로칩의 PIC 패밀리 IDE(Integrated Development Environment)를 공유하고 있다.

마이크로칩의 한병돈 지사장

마이크로칩 테크놀로지 코리아의 한병돈 지사장은 “dsPIC30F의 소자들은 엔지니어들이 세련된 소형 제품을 만들 수 있도록 하고 있다.”며, “30F DSC의 경우 DSC 계산 기능이 있는 마이크로 컨트롤러가 가진 고성능과 DSP 스루풋 기능이 조합되어 있어 한정된 공간에서 다양한 이점을 누릴 수 있다”고 설명했다.
또한 한병돈 지사장은 “20 여종의 dsPIC30F 16 비트 플래시 DSC는 업계 최고의 성능을 제공하고 있다.”며, “이 제품은 모터제어 및 전력변환, 센서, 범용 애플리케이션 등에서 주로 사용되고 있다.”고 밝혔다.
이외에도 마이크로칩의 MCU는 고성능, 저가, 소형의 패키지 사이즈를 결합하여 최고 수준의 가격대비 성능을 제공하고 있다. 또한 RISC 코어를 기반으로 하는 PICmicro 아키텍처는 전 제품에 걸쳐 코드변경을 거의 하지 않고도 6핀에서 84핀까지 쉽게 전이할 수 있는 마이그레이션 경로를 제공하고 있으며, 정교한 타이밍 주변장치, 내장 ADC(Analog-to-Digital Converter), 통신 주변장치(I2C/SPI/USB/CAN포트 및 LIN USART), 인서킷 시리얼 프로그래밍(In-Circuit Serial Programming) 기술, 넓은 동작온도 범위에서 백만 번 지우고 쓸 수 있는 PEEC 플래시, EEPROM, 일회 프로그래밍이 가능한 OTP, 읽기 전용 메모리(ROM) 등의 첨단 기능을 제공하고 있다.

BLDC의 효율적 제어
모터 전용 ST7MC로 구현

ST의 모터 컨트롤 Kit

ST(STMicroelectronics)는 다양한 마이크로 전자 애플리케이션을 위해 반도체 솔루션을 개발 및 공급하는 세계적인 기업이다. 실리콘 및 시스템 전문지식, 제조 부문, 지적 포트폴리오 및 전략적 파트너 등의 결합을 통해 ST는 시스템 온 칩(SoC) 기술의 선두주자로서 확고한 입지를 갖추고 있으며, 최근의 컨버전스 시장을 주도해 나가는데 핵심 역할을 담당하고 있다.
ST의 MCU는 8비트에서 32비트까지 다양한 포트폴리오로 구성되어 있다. 대표적인 MCU는 8비트 ST7으로 8핀에서 80핀, 1k에서 60k까지 구성되어 있으며, USB, CAN, MOTOR 블록, SPI, SCI 등 다양한 주변장치가 내장되어 있어 다양한 애플리케이션에 사용되고 있다.
특히 모터 전용 MCU인 ST7MC는 DC 12V에서 300V영역까지 적용되며, 3상 인덕션과 BLDC 모터(컴프레서 포함) 제어용으로 고안되었다. 산업계의 애플리케이션에서 3상 BLDC와 인덕션 모터는 어플라이언스와 자동차 시장에서 주로 이용되고 있다. 이러한 모터는 단상 모터 보다 고효율성, 저음향 노이즈 및 향상된 신뢰성 등의 이점을 제공하고 있다. ST7MC는 소형 풋프린트 패키지로도 이용 가능하며, 모터 제조업체들이 모터 케이싱 안에서 완벽한 인버터 PCB로 맞출 수 있다.
현재 전기 컨트롤러인 인버터의 비용이 최근 몇 년 동안 디자인 통합과 공정의 최적화를 통해 꾸준히 감소되고 있어 MCU의 비중이 커지고 있으며, 비용 감소, 고집적 및 고성능 등의 결과를 보여주고 있는 제품이 마켓셰어를 형성할 전망이다.
산업용 표준 8비트 코어에 기반한 ST7MC는 8Kbyte~60Kbyte의 듀얼 전압 플래시 메모리와 ROM 버전에서 이용할 수 있으며, 32핀 TQGP32(7x7mm)~80핀 TQFP80(14x14mm)의 다양한 패키지로도 이용할 수 있다. 이 디바이스는 10비트 ADC, 시리얼 주변기기 인터페이스(SPI), 로컬 인터커넥트 네트워크 시리얼 통신 인터페이스(LINSCI) 등의 기능이 있어 자동차 애플리케이션에서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다.
특히 신뢰성과 안전성이 뛰어난 이 제품은 시스템 레벨에서 저전압 감지기를 갖춘 임베디드 시큐어 리셋 회로와 CSS(Closk Security System)를 갖춘 멀티플 클록 소스를 시스템 통합 관리 차원에서 포함하고 있다. 이러한 통합형 8비트 접근방식은 DSP기반의 제어 솔루션을 구현하는 것에 비해 저렴한 비용으로 많은 이점을 제공하고 있다.
또한 ST7MC 디바이스는 ST의 온칩 모터 제어 주변기기인 MTC의 특징을 가지고 있다. MTC는 6개의 하이-싱크 출력상에서 멀티 플렉스된 3상 펄스 폭 모듈레이터(PWM)로 구성되어 있으며, 고유연성 BEMF(Back EMF) 제로-크로싱 검출기와 영구 마그네틱 BLDC(Brushless Direct Current) 모터의 센서리스 제어용 코-프로세서 장치를 갖추고 있다.
또한 특허를 가지고 있는 ‘3개의 레지스터’ 센서리스 제어 방법(온칩 비교기, op-앰프)은 시스템 비용을 최저가로 낮추고 BLDC 모터 제어용 시스템을 효율적으로 통합시켜 줄 수 있다. 이를 기반으로 한 BLDC 모터 디자인은 CPU 자원의 70% 정도가 애플리케이션을 위한 공간으로 남아 있어 세부적인 모터 제어 기능을 조절할 수 있다. 따라서 디바이스는 동작과 상위층 기능을 조절할 수 있으며, 기존의 3단계 BLDC 솔루션과 비교해 새로운 기능을 발휘할 수 있다. 이외에도 다양한 기능은 설계 엔지니어들이 이상적인 플랫폼을 구성할 수 있게 한다.
이러한 MCU의 주요 시장은 에어컨, 냉장고, 세탁기, 자동차 팬 및 펌프, HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) 팬 및 액츄에이터, 사무자동화, 전기 자동차 및 저가형 매개 산업 드라이브이며, 전력 소모를 최소화시켜야 하는 요구가 증가하는 상황에서 기타 산업용 어플라이언스, 자동차 애플리케이션의 펌프, 팬, 컴프레서의 에너지 효율 향상을 위해 사용되고 있다.
이외에도 ST7MC을 이용한 Starter-Kit는 타임투마켓을 줄이고 BLDC(Brushless Direct Current) 및 인덕션 모터 등의 3단계 브러쉬리스 모터를 사용하는 애플리케이션의 개발 경비를 감소시킬 수 있다. Starter-Kit의 포괄적인 하드웨어는 신속한 데모와 깊이 있는 평가를 제공하며, 프로젝트를 고급 단계로 디버그할 수 있게 한다.

8비트 가격으로 공급
초 저전력형 MSP430 시리즈

TI MSP430 개발툴 eZ430-F2013

텍사스 인스트루먼트(TI)는 현재 반도체업계 3위를 차지하고 있는 세계적인 반도체 업체로 실시간 신호처리 솔루션 개발자이자 공급업체이이며, 반도체 사업을 비롯한 교육 및 생산성 솔루션 사업에도 주력을 하고 있다.
초 저전력 MSP430 디바이스 및 32비트 범용 TMS470 ARM7기반형 MCU에서 고성능 TMS320C2000 디지털 신호 컨트롤러에 이르기까지 TI는 설계자들에게 광범위한 임베디드 컨트롤 솔루션을 제공하고 있다. 또한 설계자들은 TI의 소프트웨어와 하드웨어 툴, 광범위한 써드 파트 제품 및 기술 지원을 활용해 설계된 제품을 시장에 보다 신속히 출시할 수 있다.
TI의 MCU 중 MSP430 시리즈는 자체적으로 저전력에서 작업 부하를 수행하는 것을 별도로 하며, 웨이크-업(wake-up) 및 전력 시퀀싱 디바이스로서 작동할 수 있는 고성능 시스템에서 전력을 보존할 수 있다. 특히 MSP430F20xx MCU는 최근에 발표한 F2xx 아키텍처에 기반한 TI 최초의 디바이스이다. F2xx 아키텍처는 MIPS당 200 마이크로-앰프의 쿨 액티브 전류로 작동하고 있다. 클록 시스템은 고성능 DCO(Digitally Controlled Oscillator)를 사용하는 외장형 부품으로 최고 16MHz의 작동을 할 수 있다.
TI 코리아의 유혜경 부장은 “현재 고객들은 초저전력, 성능, 편의성 등의 기능을 유지하면서도 저렴한 MSP430 MCU 솔루션을 요구하고 있다”며, “TI의 경우 16비트 성능의 MSP430F20xx를 8 비트 MCU의 가격으로 제공하고 있다”고 말하고 “특히 이 시리즈는는 고성능의 아날로그 컨버터로 16 MIPS 및 1마이크로-앰프 미만의 대기 시간을 가진다.”고 설명했다.
이러한 핀 호환형 디바이스는 1.8V~3.6V에서 작동하며, 기존의 제품과 다르게 완벽하게 로드되고 MSP430 제품군과 100% 코드 호환이 된다. 또한 개발자들은 이 제품을 포함하는 단일 MCU 플랫폼을 통해해 가장 기본적인 애플리케이션에서부터 복잡한 애플리케이션까지 구현할 수 있다.
또한 TI는 숙련 개발자들이 시작에서 완성단계까지 전체 프로젝트를 완성하는데 필요한 모든 리소스를 제공하는 eZ430-F2013 개발툴을 제공하고 있다. eZ430-F2013 툴은 표준형 PC USB 포트로 연결되어 자체적으로 전원이 공급되며, 추가 케이블이나 전원공급장치가 필요 없다. USB 스틱 내부에는 에뮬레이션 인터페이스 보드와 쉽게 제거가 가능한 MSP430F2013 타깃 보드가 포함되어 있다. 전원 및 접지 신호는 TI의 스파이 이중 와이어(Spy bi-wire) 디버그 인터페이스를 이용하고 있으며, 이를 통해 낮은 비용으로 고성능 MCU base 개발이 가능하다.
이외에도 지난 4월 TI는 최고 120KB 플래시 메모리를 갖춘 초저전력 MCU인 MSP430FG461x 시리즈 샘플을 출시했다. MSP430FG461x 시리즈는 확장 1MB 메모리 모델의 MSP430X 아키텍처를 도입해 64KB보다 16배나 큰 메모리를 가지고 있다. 대형 메모리에 맞게 디자인된 확장 어드레싱 모드는 역호환 기능을 갖춘 최적의 코드 밀도를 구현하고 있으며, 모듈형 C 라이브러리에서 정밀한 실시간 애플리케이션을 개발할 수 있다.
FG461x 제품은 현재 통합도가 가장 높은 MSP430 MCU이다. 이 제품은 12채널에서 200ksps 연속 근사 레지스터(SAR), 내부 전압 레퍼런스가 포함된 12비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 코드 대 코드 정정시간이 1마이크로초인 12비트 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 2개, 입력 누출 전류 소비량이 5나노 암페어인 op-앰프 3개, CPU 없이 저전력으로 작동하는 직접 메모리 액세스(DMA) 컨트롤러, 액정 디스플레이(LCD) 드라이버 등 32비트 카운터 및 범용 직렬 통신 인터페이스(USCI)가 있다.

코딩 작업이 필요없는
PM 모터용 통합 플랫폼

iMOTION의 MCE

가정에서 사용하는 냉장고, 세탁기, 식기세척기에서부터 공장 및 처리 공장에서 볼 수 있는 펌프, 팬, 사무실의 에어컨 시스템에 이르기까지 모터는 다양한 응용 제품에 사용되고 있다. 그러나 대부분의 모터들은 효율적이지 않았다. 현재 환경적, 법률적, 상업적 관심의 결과로서 엔지니어들은 모터 설계의 효율성을 향상시킬 수 있는 방법으로 기존의 모터를 인버터 기반형의 변속 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) 모션 제어로 교체하는 방법을 사용하고 있다.
이러한 방법은 효율성을 향상시키고 비용을 절감할 수 있으며, 낮은 에너지 사용, 저소음, 저진동 등을 통해 제품의 신뢰성과 기능을 향상시킬 수 있다. 변속 모터를 구현하는 데 있어 문제점은 시스템 비용을 추가시키지 않으면서 모션 제어 기술을 실현시키는 것이었으나 변속 솔루션이 정교한 드라이브와 제어 회로를 요구하기 때문에 비용을 줄이기 어려웠다. 이러한 복잡도는 수많은 OEM 업체들이 인-하우스 개발을 제외하게 만들었다. 따라서 변속 모터 드라이브 설계 및 구현과 관련된 비용, 시간, 위험을 감소시킬 수 있는 새로운 접근방법에 대한 주문이 높아졌으며, 고집적 플랫폼 기반형 모터 제어 기술을 도입하게 만들었다.
전력 관리 기술 부문의 세계적 선두 주자인 인터내셔날 렉티파이어 코리아(IR 코리아)의 모터 제어 플랫폼인 iMOTION은 디지털 컨트롤러 IC, 아날로그 게이트 드라이브, 보호 IC 및 레퍼런스 설계, GUI 기반형 프로그래밍 소트프트웨어 등으로 구성되어 있다.
iMOTION의 디지털 블록은 IRMCF3xx 디지털 제어 IC 제품군으로 구성된다. 이러한 IC에는 PMSM을 하드웨어 방식으로 구현하는 IR 특허품인 MCE(Motion Control Engine)가 포함되어 있으며, 개발 프로세스 단계에서의 소프트웨어 코딩 작업이 필요 없다.
MCE(motion Control Engine)로 불리는 고부가가치의 IP 블록은 디지털 PFC 제어 및 센서리스 정현파 전류와 속도 제어를 위해 고속 연산 알고리즘을 구현할 수 있다. 애플리케이션 최적화형 디지털 컨트롤러 시리즈에 기본으로 포함되어 있는 MCE는 특정 시스템의 파라미터를 만족시킬 수 있도록 레지스터를 구성할 수 있다. 이러한 하드웨어 제어 엔진은 PC 기반형 구성 툴을 이용한 방법으로 파라미터를 쉽게 제시하고 있으며, 엔지니어들은 스프레드시트에서 필수 파라미터를 입력하는 것으로 시스템을 구성할 수 있다.
또한 IRMCF3xx는 단일 전류 분로 무센서 제어를 위해 모든 신호 조절 및 변환 회로를 통합하고 있는 임베디드 아날로그 신호 엔진(ASE)을 가지고 있다. 모션 제어 엔진은 약 11 마이크로초 만에 무센서 필드 지향 제어(FOC) 알고리즘을 실행하여 팬 및 컴프레서 모터와 PFC 회로의 동시 제어를 가능하게 한다.
팬 및 컴프레서 모터를 제어하는 MCE 엔진과 별개로 에어컨 시스템의 작동을 정의하는 애플리케이션 레이어 프로세서도 포함하고 있다. 이 프로세서는 사용법이 간단한 툴을 이용하고 있으며, 최소한의 노력만으로 컨트롤러 성능을 평가할 수 있다. 이를 통해 엔지니어는 알고리즘을 필요에 따라 수정할 수 있어 제품 개발 자체에만 집중할 있다.
iMOTION의 아날로그 블록은 IRS2136D 3상 아날로그 드라이버 및 보호 IC 제품군으로 구성되어 있다. 이 IC에는 내장된 부트스트랩 다이오드와 함께 3개의 독립적인 600V 하프 브리지 인버터 게이트가 포함되어 있으며, 보호 기능으로 인버터 과전류 트립 및 저전압 락아웃(Automatic Fault Clear) 기능도 내장되어 있다.
이외에도 전력단의 IRS2136D는 이산 및 통합 모듈을 포함하여 다양한 구성으로 제공되는 IR의 고효율 트렌치(Depletion-Stop Trench) IGBT와 함께 사용할 수 있도록 설계되었다. 이러한 트렌치 IGBT 경우 콜렉터-이미터 포화 전압 VCE(ON)와 총 스위칭 손실 ETS가 PT(Punch-Through) 및 NPT(Non-Punch-Through) IGBT보다 낮은 것이 특징이다.

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